以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，凭借宽禁带、高击穿电场、高热导率和高电子迁移率等优异特性，正在推动电力电子、5G通信、新能源汽车、航空航天等领域的技术变革。然而，第三代半导体材料普遍具有高硬度以及极其稳定的化学稳定性，是典型的难加工材料，化学机械抛光（CMP）作为实现衬底全局平坦化的关键技术，也存在难去除、表面易损伤和成本高等问题，无法满足高效低损伤平坦化加工的迫切需求。多能场复合抛光技术通过在CMP过程中引入超声、光、电、磁、激光、等离子体等辅助能场，可加速表面反应进程，或强化材料去除效率，为第三代半导体衬底的高效、高质量加工开辟新的路径。

第三代半导体材料的抛光难点

SiC、GaN均属于典型的宽禁带硬脆半导体材料，晶体结构稳定、理化性能特殊，与传统硅基材料的加工特性差异极大。在超精密抛光过程中，主要存在以下难点：

1、超高硬度与硬脆特性

SiC和GaN均为高硬度共价键晶体材料，其中4H-SiC莫氏硬度高达9.2~9.5，接近金刚石硬度，GaN莫氏硬度也达到8.5以上，导致传统机械抛光工艺中，磨料对晶圆表面的微切削、微磨削作用效率极低，同时，两类材料脆性极强，机械抛光过程中，容易产生微裂纹、位错、划痕、崩边等机械损伤。

2、化学性质极度稳定

化学机械抛光（CMP）技术的核心原理是通过抛光液中的化学试剂与晶圆表面发生氧化、水解等反应，生成质地疏松的改性软化层，再通过磨料机械作用去除软化层，实现材料平稳去除。SiC、GaN材料的化学键键能极高，晶体结构致密稳定，化学惰性远高于硅基材料，化学去除效率低下。

3、晶体各向异性显著

SiC、GaN单晶材料存在显著的晶体各向异性，不同晶面、晶向的原子排列密度、化学键结合强度、力学性能与化学活性存在明显差异。在抛光加工过程中，不同晶向、晶面的材料去除速率不一致，晶圆表面容易出现晶向差异性腐蚀、凹凸起伏、局部抛光不均等问题，造成晶圆全局平整度大幅下降。

4、表面质量与损伤控制要求极高

第三代半导体主要应用于高压、高频、高温、高可靠性的极端工况场景，若晶圆表面的微划痕、微观粗糙度、残余应力、亚表层微裂纹、晶格畸变等微小缺陷，会直接导致器件漏电流增大、击穿电压降低、散热性能恶化、使用寿命缩短，严重影响器件性能与稳定性。目前高端功率器件、射频芯片对SiC、GaN晶圆的加工要求已达到原子级超光滑、零亚表层损伤、纳米级平整度标准。

多能场复合抛光技术有哪些？

针对性解决SiC、GaN硬度高、化学惰性强、各向异性、易损伤等加工难题，多能场复合抛光技术通过协同电场、磁场、超声振动场、温度场等两种及以上物理场与化学作用、机械磨削作用，突破单一工艺的技术局限。当前应用于第三代SiC、GaN半导体晶圆超精密加工的多能场复合抛光技术，主要包括：

1、光辅助化学机械抛光（PCMP）

PCMP技术是通过在抛光液中添加纳米TiO2等光催化剂，在紫外光照射下激发产生强氧化性自由基（如羟基自由基·OH），加速工件表面氧化软化，再通过机械研磨去除，并暴露出新的表面。通过“氧化-去除”的循环，PCMP技术有效消除了表面划痕和微裂纹，使材料表面粗糙度显著降低，同时也解决了常规CMP技术在加工GaN、SiC等硬脆材料时加工效率低的问题。

2、超声辅助化学机械抛光（UACMP）

CMP抛光液中的磨粒多为微纳米颗粒，极易发生团聚，影响抛光效果，UACMP技术通过在抛光过程中施加高频超声振动，在抛光液中产生空化效应、微射流和冲击波，一方面空化气泡可以在不断运动、生长和破灭中，持续冲刷工件表面，促进材料的去除，并强化抛光液与工件表面之间的传质过程，加速反应物在界面处的运输与分布；另一方面，也可以减少磨粒的团聚效应，避免晶圆划伤。

超声抛光流场示意图（来源：参考文献）

3、电化学（ECMP）与光电化学机械抛光（PECMP）

ECMP是在CMP基础上施加直流电压，利用工件的电化学阳极氧化原理，使工件表面快速生成易去除的氧化层，再通过机械研磨去除。通过精确调控阳极氧化与机械磨削的平衡，实现高效低损伤抛光，适用于第三代半导体材料。光电化学机械抛光（PECMP）则进一步结合了光催化与电化学的优势——光照激发半导体材料产生光生载流子，电场则驱动光激发产生的活性自由基进一步加速工件表面的氧化反应，从而实现更高效的材料去除。

ECMP装置示意图（来源：网络）

4、等离子体辅助抛光

等离子体辅助抛光将大气压等离子体刻蚀与化学机械抛光相结合。通过射频电源产生的等离子体中具有强氧化性自由基（如OH·、O·），其颗与工件表面原子发生化学反应，将工件表面氧化为硬度远低于基体的较软改性层，实现对SiC和GaN表面进行可控的化学刻蚀或改性，之后利用软磨粒（如CeO2、SiO2等）对工件表面进行机械摩擦，将等离子体生成的软质改性层去除。通过这种“改性层生成”与“改性层去除”的交替循环，粗糙表面逐渐被平整，最终获得无损伤的原子级平坦表面。

小结

多能场复合抛光技术利用光辅助、超声辅助、光电化学、等离子体辅助等多种手段，突破了单一加工工艺的性能上限，为第三代半导体衬底的高效、高质量、低成本量产加工提供了全新解决方案。随着5G通信、新能源汽车、航空航天等下游高端领域对半导体器件可靠性、稳定性的要求持续升级，多能场复合抛光技术也将朝着多场精准耦合、工艺智能化调控、全域无损伤加工的方向持续迭代。

参考文献：

王泽晓, 叶林征, 祝锡晶, 刘瑶, 啜世达, 吕博洋, 王栋. 超声作用下碳化硅CMP流场特性分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程

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